Um die Antriebssysteme von Schienenfahrzeugen flexibler und umweltfreundlicher zu gestalten, wurde in der jüngeren Vergangenheit verstärkt an Hybridantrieben gearbeitet. Der Hybridantrieb wird laut European Rail Research Institute (ERRI) als ein Antriebssystem mit mindestens zwei verschiedenen Energieumwandlern und Energiespeichersystemen definiert [E/ECE/324-E/ECE/TRANS/505]. Abweichend hiervon werden in der Schienenfahrzeugtechnik auch solche Systeme zu Hybridantrieben gezählt, die lediglich über eine Energiespeicherform verfügen. Hybrid-Schienenfahrzeuge sollen jedoch über zwei unterschiedliche Energiequellen angetrieben werden können. Der Antrieb durch eine sekundäre Energiequelle kann dabei unabhängig von der primären stattfinden.

Im Schienenverkehr werden sowohl die konventionellen Antriebssysteme Dieseltraktion und Elektrotraktion miteinander kombiniert als auch die Kopplung mit neuartigen Speicher- und Antriebssystemen getestet. Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit reiner Elektrotraktion und Oberleitungsstromversorgung ermöglicht die Kombination mit Dieselmotoren beziehungsweise Akkumulator die Betriebsausweitung auf fahrdrahtlose Strecken. Im ersten Fall können mit den entsprechenden Fahrzeugen in der Dieseltraktion auch lange Distanzen im Flächenverkehr bedient werden, auf denen die Elektrifizierung wirtschaftlich nicht darstellbar ist. Auf elektrifizierten Abschnitten kann dabei lokal ein emissionsfreier und energieeffizienterer Verkehr unter Fahrdraht realisiert werden. Bei Verwendung von Akkumulatoren ermöglicht der Energiespeicher den Verzicht auf die Fahrdraht-Infrastruktur auf kurzen Abschnitten.

In Europa können Hybridfahrzeug-Konzepte verstärkt im Tram-Train-Segment beobachtet werden, da sich hier mit dem Wechsel zwischen der Stadtbahn- und Vollbahn-Infrastruktur nicht selten auch die Bedingungen für die günstigste Antriebsart ändern. Ein Beispiel aus der Bundesrepublik Deutschland stellt das Tram-Train-Konzept Karlsruher Modell dar. Die 30 im September 2009 von der Albtal-Verkehrs-Gesellschaft mbH und der Verkehrsbetriebe Karlsruhe GmbH bei der Bombardier Transportation bestellten Zweisystemzüge (Flexity Swift type dual-system tram-trains) verkehren sowohl im Innenstadtbereich unter Gleichstrom als auch im Umland unter Wechselstrom [Russ10]. Vermehrt werden aber auch Hybridsysteme für Vollbahn-Fahrzeuge entwickelt. So kommen beispielsweise in Nordamerika und Europa Hybridlösungen in Rangierlokomotiven zum Einsatz. Als bedeutsamer Vorteil erweist sich hierbei die Kraftstoffeffizienz einer mit Hybridtechnik ausgestatteten Rangierlokomotive im Vergleich zu einer Dieselvariante. Entsprechende Verbrauchsreduzierungen im Umfang von 35 bis 60 Prozent sind unter Alltagsbetriebsbedingungen möglich [OoDu09]. Seit Oktober 2016 ist auch die Deutsche Bahn im Besitz von fünf Elektro-Diesel-Hybridrangierlokomotiven, die im Regionalverkehr in Franken eingesetzt werden [NEPR16].

Im Oktober 2007 wurde der erste Hybrid-Triebzug Autorail Grande Capacité (AGC) von Bombardier aus einer Reihe von über 140 Zügen in Betrieb genommen. Vom Hersteller wurde dieses Ereignis als Weltpremiere eingestuft, da bei dem Hybrid AGC bestimmte Betriebsfunktionen erstmalig in einem Zug miteinander kombiniert wurden. Aufgrund der bimodalen Hybrid-Technologie (Strom- und Dieselmotor) und der Zweispannungstechnologie (1.500 V und 25.000 V) können Hybrid AGC das gesamte Schienennetz der Société Nationale des Chemins de fer Francais (SNCF) übergangslos nutzen [Uhle09].